攀鋼熱軋MES設計與實現

劉繼光，陳 源

（1. 攀枝花學院 計算機學院，攀枝花 617000；2. 攀鋼集團信息工程技術有限公司，攀枝花 617024）

0 引言

當前鋼鐵工業基本實現基礎自動化和過程自動化，應用先進的管理理念及信息技術改造傳統產業已成為發展趨勢[1]。

攀鋼熱軋板廠是攀鋼主要生產廠礦之一，具有完善的基礎自動化系統(L1)和過程自動化系統(L2)，同時還具有一些小型生產管理應用系統，但這些系統都是以單元生產設備為核心進行檢測與控制，生產設備之間（例如：軋線與精整，精整各線）形成諸多“自動化信息孤島”[3]。上下工序間的生產信息傳遞依靠手工報表傳遞，極易導致數據失真和信息阻塞，且缺乏對信息資源的共享和生產過程的統一管理，難以適應現代鋼鐵行業生產管理的要求[2]。

攀鋼實施的整體產銷系統(ERP)需要熱軋板廠提供各個區域的實時生產信息、并能夠接收和執行整體產銷系統下達的生產指令，熱軋板廠現有應用系統不能承擔這樣的任務，因此，迫切需要構建MES系統作為ERP系統與PCS系統進行信息交換的中間橋梁[1]。同時，MES的建設也有助于解決熱軋板廠的“自動化孤島”問題，實現生產數據的實時共享，生產過程的全程監控，從而建立管控一體化的生產控制系統。

1 熱軋MES網絡設計

熱軋板廠已有覆蓋全廠的廠務管理網絡、工序過程計算機網絡，因此，熱軋MES系統在物理上不單獨組網，而是對原有的廠務管理網絡進行整合、擴展，升級構建熱軋MES網絡。該MES網絡上與公司骨干網集成，下與各工序L2級網絡集成，橫向與煉鋼L3級生產控制系統網絡集成，通過公司骨干網，實現與冷軋L3級信息交換[1]。

為了保證網絡的可靠性，熱軋MES網絡與集團主干網和煉鋼MES網絡集成采用雙鏈路冗余技術實現。熱軋MES與多個外部網絡連接，為了隔離對MES內部或外部非法訪問帶來的網絡安全性問題，MES網絡采用三層交換機，利用三層交換機的VLAN功能，實現MES網絡與外部網絡的邏輯隔離，僅有授權的用戶能夠訪問MES內部資源或訪問MES外部資源。熱軋MES網絡結構如圖1所示。

2 MES系統結構

應用系統體系機構分為C/S、B/S、多層等，多層結構具有前后臺松散耦合、邏輯組件高可復用、維護升級方便、利于分工和編碼快速方便等優點，因此，熱軋MES系統采用多層體系結構，分別為表現層、基礎架構層，業務邏輯層、數據訪問層和關系數據庫。應用系統體系結構如圖2所示[1,5]。

2.1 表現層

表現層即客戶端，該層使用Delphi語言開發完成，為用戶提供一種交互式操作的界面，主要負責用戶權限控制，客戶端邏輯操作畫面加載，業務數據的顯示和接收用戶的輸入。

圖1 MES網絡結構圖

圖2 MES系統結構圖

該層使用了面向對象組件化開發模式，封裝了大量的客戶端控件和可復用的組件。為了客戶端保證數據庫的安全，提高數據庫的效率，避免客戶不當操作引發的鎖的問題，客戶端不直接與數據庫建立連接，該層使用COM+與基礎架構層進行數據交互，而整個交互過程對于編碼人員透明，大大簡化客戶端程序的編制過程，提高了開發效率。

2.2 基礎架構層

基礎架構層是應用服務器的核心層，該層使用VC++編制，主要功能包括：對象（或屬性、方法）存取控制（Access Control）、對象映射（Object Map）、域名解析(Name Resolve)、訂閱發布（Sub/Pub）、數據緩存（Data Cache）、業務邏輯組件加載與卸載、數據事務控制（Trans Action）和數據訪問層（Data Access）等。該層基于COM+標準規范建立，是一種較為理想的軟總線結構，可以通過裝配或擴展對象組件實現一個特定的應用軟件系統，對象組件可以在不影響系統中的其它對象組件的前提下被卸載或更新，真正實現軟件組件的即插即用，應用服務器可以在運行過程中不影響業務使用的情況下完成業務邏輯組件的升級。該層對于業務代碼編寫人員透明，業務人員只需按照給定規范編寫邏輯程序，無須了解過多的細節。

2.3 業務邏輯層

業務邏輯層是MES系統的核心部分，主要完成業務規則的制定、業務流程的實現等業務邏輯功能。業務邏輯組件不能單獨運行，必須運行在應用服務器的托管空間之下，其加載與卸載由應用服務器負責。邏輯組件各自運行在自己的地址空間，不能相互調用或通訊，邏輯組件間的調用必須通過基礎架構層完成，調用結果由基礎架構層返回給業務邏輯組件。

2.4 數據訪問層

數據訪問層也稱持久層，位于基礎框架層內，是對數據庫訪問的封裝。該層完成業務邏輯組件與數據庫之間的交互，按照業務邏輯組件的要求完成對數據庫的訪問。該層對業務代碼編寫人員透明。

3 MES功能模型[1, 3]

熱軋板廠MES系統在工廠綜合自動化系統中處于中間層次。在攀鋼整體產銷系統產生的長期計劃的指導下，根據底層控制系統生產實時數據，完成短期生產作業的計劃調度、監控、資源配置和生產過程的優化等工作，其功能模型如圖3所示。

3.1 系統管理

對系統用戶操作權限進行控制，防止操作人員越權實現用系統。考慮到每一個畫面都需要進行權限控制，因此，開發出通用權限控制組件實現用戶權限的動態分配和控制，用戶界面操作權限的精細化控制，該組件消除了權限控制代碼與業務邏輯代碼間的耦合性，極大的提高了應用程序的開發效率、降低了系統維護運行成本。

3.2 作業計劃管理

作業計劃管理是MES的核心功能，包括計劃接收、計劃手工錄入、計劃調整、計劃處理和計劃跟蹤等功能。計劃接收，接收產銷系統下達的作業計劃信息；計劃手工錄入，當網絡出現問題或因其他問題時可錄入計劃；計劃調整，根據生產現場的實際情況，對作業計劃內的材料進行吊銷和整個計劃撤銷；計劃處理，對計劃中的材料形成作業命令，并進行計劃確定，下傳到PCS系統執行；計劃跟蹤，上傳計劃執行信息。

3.3 庫位管理

庫位管理包括對板坯庫、鋼卷庫和成品庫和冷軋原料庫的精細化管理。由于四個庫位管理具有一定的相似性，因此，設計時，采用了組件化設計方法，開發出庫位管理公共組件，實現了庫位代碼的復用，提高了開發效率。

3.3.1 板坯庫管理

板坯原料數據自動接收(煉鋼L3)，板坯實績信息變更管理，板坯原料信息管理，熱裝管理，板坯入庫管理，退料管理，封鎖、釋放管理，板坯垛位預約管理，倒垛管理，垛位影像圖的自動生成，垛位變更管理，盤庫對帳管理，出庫管理，回爐坯管理，外購坯入庫管理，返倒業務管理，表判和記錄表面質量管理，各類信息的統計查詢。

3.3.2 鋼卷庫管理

完成對軋線機組下線鋼卷的管理，包括鋼卷出入庫管理、熱卷實績變更管理，熱卷基本信息管理，熱卷垛位預約管理，表判和記錄表面質量、垛位管理、垛位影像圖的自動生成，倒垛管理，盤庫對帳管理，出庫管理，材料封閉和解封管理、垛位變更管理。

3.3.3 成品庫管理

成品出入庫管理、成品信息管理，表判和記錄表面質量、垛位管理、倒垛管理、成品垛位變更管理、成品庫垛位影像圖自動生成、成品實績變更管理、成品封閉、解封管理、成品出庫管理、盤庫對帳管理、返廠車業務管理、返倒業務管理。

3.3.4 冷軋偏跨庫管理

材料出入庫，表判和記錄表面質量，熱卷的封鎖，釋放管理、垛位管理，垛位變更，出庫管理，冷軋退料管理，退廢管理，向冷軋L3提供熱卷信息管理，返倒業務管理，盤庫對帳管理，各類信息查詢統計管理。

3.4 質量管理

對板坯、鋼卷和成品等進行質量管理，如封鎖、釋放、降級、判廢、機組生產建議、表面判定、物料缺陷和物化試驗數據的登錄、修改、查詢和刪除, 并且把相關的質量信息上傳整體產銷系統。主要包含制造標準管理，在線判定管理，取樣管理，過程質量分析。

3.4.1 制造標準管理

完成對工序制造標準、作業標準、工序管理規范的管理，接收隨熱軋計劃下達的工藝控制參數、表面控制參數、尺寸控制參數及按合同號為單位的成品性能取樣指示，按工藝控制參數形成對應的制造標準和作業標準，對生產過程進行控制。

3.4.2 在線判定

按整體產銷系統下達的表面和尺寸控制要求對產品做在線表面+尺寸、卷取溫度和終軋溫度判定，將判定結果（合格/不合格）隨生產實績上傳整體產銷系統。

3.4.3 取樣管理

成品性能取樣按一個計劃中同爐+同合同的材料為單位；按下達的取樣要求進行初樣取樣，取樣后樣板附樣號送檢化驗L2，并將初樣取樣結果上傳產銷系統；接收產銷系統下達的復樣取樣指示。取樣后樣板附樣號送檢化驗L2，并將復樣取樣結果上傳產銷系統；對于大梁鋼、管線鋼、耐厚鋼、車輪鋼、焊瓶鋼和低合金鋼，接收產銷系統下達的二次復樣取樣指示。取樣后樣板附樣號送檢化驗L2，并將二次復樣取樣結果上傳產銷系統。

3.4.4 過程質量分析

根據過程質量數據，繪制相應的直方圖，為分析制造過程中存在的問題提供依據，管理對象為板坯或熱卷。

3.5 生產實績管理

生產實績管理主要包含實績收集和實績變更管理。實績收集主要收集在制品在軋制和精整作業過程中產生的實績，并上傳產銷系統；實績變更主要完成對收集在制品在軋制和精整作業過程及入庫后發生的實績變更信息，并上傳產銷系統。

3.6 發貨管理

接收準發計劃、確認準發單據、準發材料吊銷和準發紅沖、接收L4發貨計劃電文、計劃強制結束、編制發貨清單、填寫裝車實績、生成碼單、生成承運單、計劃強制結束、打印廠內承運單、打印出廠碼單。

3.7 軋輥管理

軋輥是熱軋板廠的主要生產設備，實時動態掌握軋輥信息對于生產計劃的制定具有重要意義。軋輥管理是對軋制過程中使用的粗軋工作輥、精軋工作輥、粗軋支承輥、精軋支承輥及立輥、平整輥、卷取夾送輥等各類軋輥從計劃、入庫、磨削加工、到上機使用直至報廢整個生命周期信息進行計算機化管理。核心功能包括軋輥入庫管理，軋輥質量判定管理，軋輥磨削實績管理，軋輥配輥管理，軋輥軋制實績管理，軋輥報廢管理。

3.8 流程監視和調度管理

流程監視根據各工序生產實績情況及工序作業情況，提供全廠的生產流程監視畫面，對各工序作業情況、物料流動情況、工序作業銜接情況、主要設備運行狀況等進行實時動態監視，以便優化調度流程生產，調度管理統計各機組運行情況和產量，記錄各機組運行日志，繪制各機組運行趨勢圖。

3.9 生產實績管理

生產實績管理包括軋線、平整、縱切、1#橫切和2#橫切的實績信息管理，每條產線的功能類似，其主要功能包括計劃材料詳細信息的顯示（如材料信息、控制參數、理化特性等）、計劃回退、材料吊銷、材料在軋線工序跟蹤、表判和質量記錄、取樣、實績變更和實績上傳。

4 MES接口信息模型

熱軋板廠MES系統作為集團整體產銷的重要支撐系統，與整體產銷、煉鋼MES系統、冷軋MES、熱軋產線PCS等眾多系統之間存在接口，熱軋MES接口信息模型如圖4所示[1]。MES與各系統的接口是MES系統與外部系統進行正常信息交互和數據共享的基礎，關系到MES系統乃至整體產銷系統的成敗。熱軋MES系統與外部系統接口數據交換采用電文交換和數據庫表交換兩種形式進行，下面進行介紹。

熱軋MES系統與煉鋼MES系統、冷軋MES系統的數據交換采用開發的通訊組件L3COMM，與檢化驗L2系統采用開發通訊組件L2COMM，與整體產銷的數據交換使用保信軟件提供的XCOM組件。L3COM、L2COM以XCOM組件為基礎，進行了二次封裝，使得更加適合于MES系統開發。L3COM、L2COM對程序開發人員透明，程序人員無須了解過多的開發細節。L3COM、L2COM、XCOM均采用電文方式交換數據，電文的格式采用文本文件配置，且事先由各系統接口人員共同定義。配置文件不能隨意改動，否則可能會引發通訊故障[4]。

圖4 MES接口信息模型

熱軋板廠MES系統與熱軋產線PCS系統間的數據交換采用接口表的形式進行。交換的數據分為上傳數據和下傳數據。其中，生產實績、物料跟蹤、質量信息等由PCS上傳MES，計劃、取樣、作業控制參數等信息由MES下傳到PCS系統。上傳數據與下傳數據原理相似，下面僅給出上傳數據的原理。當現場實績數據產生時，PCS需要向接口表寫入數據，在寫入數據之前，PCS首先檢查標志位數據，如果標志位數據為0（表示實績數據已被MES獲取），此時，PCS可以向接口表寫入實績數據，在寫接口表之前，PCS先將標志位置為1（表示PCS正在向接口表寫入數據），然后將實績數據寫入接口表，數據寫完之后將標志位置為2（表示PCS將數據完全寫入接口表，MES可以獲取接口表的數據），MES輪詢標志位，當發現標志位置為2時，MES馬上將標志位置為3（表示MES正在從接口表獲取數據），然后讀取接口表的數據，當數據讀取完成后MES將標志位置為0。如果標志位長時間不發生變化，系統將顯示通訊出現故障，同時PCS將實績數據進入隊列，待故障恢復后，重新傳送。

5 數據庫系統

數據庫系統作為MES系統的數據存儲中心，其穩定性和效率對MES系統具有重要作用。在綜合考慮了所有數據庫管理系統特性之后，熱軋選用Oracle9i作為數據庫服務器。

熱軋MES系統作為ERP與PCS的中間橋梁，必須保證數據庫服務器的高可用性，因此，熱軋數據庫采用了Oracle雙機集群系統。數據庫服務器選用兩臺HP高檔微機服務器，存儲設備選用SAN存儲器。數據服務器和存儲設備通過一臺千兆光纖交換機相連，該交換機為數據庫服務器與存儲設備專用，從而避免了外部網絡可能帶來的網絡風暴和信息阻塞。采用雙機集群系統后，可以有效地實現兩臺服務器的負載均衡，加快數據服務器的處理能力，同時避免一臺數據庫服務器宕機后，出現MES系統崩潰的情況[4]。

6 結論

應用COM+技術、面向對象編程技術、組件化編程技術設計并實現了攀鋼熱軋MES系統，該系統的建立取得了以下成果：

1）消除了“自動化孤島”，實現了生產數據的實時共享和生產過程的遠程監控；

2）簡化業務流程和業務操作方式，實現了各工序的無縫銜接，消除了手工數據傳遞，提高了信息的實時性與準確性，降低了操作人員的勞動強度；

3）各級管理部門能夠及時、準確地獲取各種生產數據，為進一步數據挖掘和業務分析建模奠定了基礎；

4）完成了MES系統和整體產銷系統的無縫集成，使得生產管理模式由人工粗放式管理轉變為系統精細化管理，提高了生產管理水平和生產效率。

[1] 陳源. 熱軋MES研究與實現[A]. 冶金企業MES和ERP技術實踐論文集[C]. 2005: 253-254.

[2] 趙大東, 王昭東, 熊江華, 等. 中厚板廠制造執行系統的設計[J]. 軋鋼, 2009, 26(5): 51-54.

[3] 董火生. 攀鋼熱軋制造執行系統(MES/RZ)研究與實現[D]. 成都: 電子科技大學, 2006: 9-25.

[4] 何理仁. 攀鋼冷軋廠MES計算機系統[D]. 成都: 電子科技大學, 2006: 21-22.

[5] 畢英杰. MES的整體架構及在鋼鐵行業的應用[J]. 控制工程, 2005,12(6): 530-532.